3.2 能量守恒定律及其应用 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理粤教版选择性必修第三册

粤教版（2019）选择性必修第三册导学案 3.2 能量守恒定律及其应用 一．能量守恒定律 1. 定律内容： 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 意义： ①各种形式的能可以相互转化。 ②各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。 2. 对定律的理解 （1）某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量与增加量相等。 （2）某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量相等。 3. 能量的存在形式与转化 常见能量形式：机械能、内能、电磁能、化学能、原子能等。 转化方式：各种形式的能量可通过力做功实现相互转化。 二、第一类永动机 1. 定义 不需要任何动力或燃料，却能不断对外做功的机器。 2. 不可能制成的原因 结合热力学第一定律分析： 若物体不与外界传热，物体对外做功，必然以减小自身内能为代价； 若不消耗内能，物体必须从外界吸收热量才能对外做功。第一类永动机试图不消耗任何能量而持续做功，违背能量守恒定律，因此无法制成。 第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的 3. 历史意义 历史上众多永动机设想的失败，从反面推动了能量守恒定律的发现与确立。 考点一：对能量守恒定律的理解 例1.能源是社会发展的基础。下列关于能量守恒和能源的说法正确的是（　　） A．能量是守恒的，能源是取之不尽，用之不竭的 B．能量的耗散反映了能量是不守恒的 C．开发新能源，是缓解能源危机的重要途径 D．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减小，形成“能源危机” 【答案】C 【详解】A．能量是守恒的，能源是能够提供可利用能量的物质，并不是取之不尽，用之不竭的，故A错误； B．能量的耗散是一种形式能量转化为另一种形式的能量，能量守恒定律是自然界的规律之一，故B错误； C．开发新能源，是缓解能源危机的重要途径，故C正确； D．对能源的过度消耗将形成“能源危机”，但自然界的能量不变，故D错误。 故选C。 例2.一物体先后经过几个不同的物理过程，其温度均从升高到，则在这些过程中（　　） A．物体一定从外界吸收热量 B．物体与外界交换的热量都相等 C．外界对物体所做的功均相等 D．物体内分子动能的平均值增加量都相等 【答案】D 【详解】A．温度升高，内能增加，内能可通过吸热（）或外界做功（）改变，如果物体放出的热量小于外界对物体做的功，物体内能同样会增加，故A错误。 B．热量交换与过程相关。例如，等容过程（体积不变）中，而等压过程（压强不变）中，若体积变化不同，热量不等。故B错误。 C．功与过程相关。例如，等容过程，而等压过程 ，若体积变化不同，功不等。故C错误。 D．分子平均动能仅与温度成正比，温度变化相同（），则平均动能增加量相同，与过程无关。故D正确。 故选D。 考点二：第一类永动机不可制成 例1.下列关于第一类永动机的说法正确的是（　　） A．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器 B．随着科技的发展，第一类永动机是可以制成的 C．第一类永动机不可能制成的原因是技术问题 D．第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律 【答案】AD 【详解】A．第一类永动机的定义就是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，，A正确； B．第一类永动机违背了能量守恒定律，是不可能制成的，无论科技如何发展都无法实现，B错误； C．第一类永动机不可能制成的原因不是技术问题，而是违背了能量守恒定律，C错误； D．能量守恒定律表明能量既不会凭空产生也不会凭空消失，第一类永动机试图无中生有地产生能量对外做功，违背了这一定律，故D正确。 故选AD。 例2.约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为∶如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是（　　） A．一定不可能实现 B．如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现 C．如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现 D．违背能量守恒定律 【答案】AD 【详解】该思想违背了能量守恒定律，不可能实现。 故选AD。 例3.如图所示，有人设计了这样一台“永动机”：距地面一定高度架设一个水槽，水从槽底的管中流出，冲击一个水轮机，水轮机的轴上安装一个抽水机和一个砂轮。他指望抽水机把地面水槽里的水抽上去，这样循环不已，机器不停地转动，就可以永久地用砂轮磨制工件做功了。请你分析一下，高处水槽中水的势能转变成哪几种形式的能，说明这个机器是否能够永远运转下去。 【答案】见解析 【详解】取顶部水槽中流出的水为研究对象，在其从顶部水槽中流出至底部水槽的过程中，它的重力势能一部分转化为自身的动能，一部分转化为水轮机、抽水机、砂轮的动能，一部分转化为砂轮和工件的内能，还有一部分转化为抽水机抽上去的水的重力势能。由能的转化和守恒定律知，抽水机抽上去的水的重力势能必然小于流下的水的重力势能，如果上抽的水管的横截面积大于或等于下流的水管的横截面积，则根本不可能将底部水槽中的水抽至顶部水槽，即使上抽水管的横截面积小于下流水管的横截面积也不一定能将水抽上去，如果上抽水管比下流水管细很多且能够将底部水槽中的水抽至顶部水槽，则相等时间里抽上去的水也要比流下的水的质量小得多，最后顶部水槽中的水很快就会流光。 考点三：能量守恒定律在科技中的应用 例1.下列对能量转化和守恒定律的认识错误的是（　　） A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加 B．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加 C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的 D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了 【答案】D 【详解】AB．根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其他形式的能一定增大；某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，AB正确,不符题意； C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成，C正确，不符题意； D．石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子本身及周围物体的内能，能量并没有消失，D错误，符合题意。 故选D。 例2.在最近几年的空调市场上出现一个新宠——变频空调，据专家介绍变频空调比定频的要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，是正常运行的5~7倍。空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动。这样的频繁启动，耗电多，而变频空调启动时有一个由低到高的过程，而运行过程是自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机。而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电。阅读上述介绍后，探究以下说法中合理的是（　　） A．变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律 B．变频空调运行中做功少，转化能量多 C．变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电 D．变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能 【答案】CD 【详解】A．自然界的一切过程都遵守能量守恒定律，A错误； BD．功是能量转化的量度，做同样功，消耗同样电能，B错误，D正确； D．由变频空调的工作特点可知省电的原理是效率高，C正确。 故选CD。 一、单选题 1．宋朝开庆年间，宋军发明的管状火器——突火枪（如图甲），是世界上第一种发射子弹的步枪。突火枪以厚竹筒为枪管，内部装填火药与子弹，点燃引线引爆火药后，瞬间完成燃烧，子弹开始加速运动，至子弹出枪管前可认为枪管中的气体质量不变，该过程中气体压强p与体积V的关系图像如图乙所示，S1、S2为ABC和BCED区域的面积，忽略子弹与枪管之间的摩擦力，则子弹射出枪管时的动能大小可表示为（　　） A．S1 B．S2 C． D． 【答案】C 【详解】由题意，气体的图像中，图线与坐标轴所围成图形的面积表示气体对外做的功，由动能定理，有 则子弹射出枪管时的动能大小可表示为 故选C。 2．如图所示，是中国古代玩具饮水鸟，它的神奇之处是，在鸟的面前放上一杯水，鸟就会俯下身去，把嘴浸到水里，“喝”了一口水后，鸟将绕着O点不停摆动，一会儿它又会俯下身去，再“喝”一口水。A、B是鸟上两点，说法正确的是（　　） A．A、B两点的向心加速度大小相同 B．A、B两点的线速度大小不同，角速度大小相同 C．此过程虽然不违反能量守恒定律，但不可能发生 D．此过程违反能量守恒定律，但可能发生，说明第一类永动机可以制成 【答案】B 【详解】B．根据同轴转动角速度相等知，A、B两点的角速度大小相同，根据知A点半径大，线速度较大，故B正确； A．根据知A点半径大，加速度较大，故A错误； C．饮水鸟的头和躯体分别为两个薄壁玻璃球，其间以一个玻璃管连接，内部装有易挥发的液体。其原理是先在鸟嘴上滴一些水，水分蒸发会吸收头部空气中的热量，使得头部气压小于肚子中的气压，从而使肚子中的部分液体压入头部，使重心上移，鸟的身体变得不稳定而发生倾斜，倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面，从而使头部的液体又回流到肚子中，使鸟的身体再回到开始的竖直状态，而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水，之后鸟回到竖直状态后，鸟嘴的水分蒸发，重复前方的运动，即饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能，此过程不违反能量守恒定律，可能发生，故C错误； D．此过程不违反能量守恒定律，可能发生，说明第一类永动机不可以制成，故D错误。 故选B。 3．根据能量转化和转移的方向性，下列判断正确的是（　　） A．电流的电能不可能全部转化为内能 B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转化为电能 C．热机中，燃气的内能不可能完全转化为机械能 D．能量不能被创造或被消灭 【答案】BCD 【详解】ABC．根据能量转化和转移的方向性可知，凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的电能可全部转化为内能（由电流热效应中的焦耳定律可知），而内能不可能全部转化为电能而不引起其他变化；机械能可全部转化成内能，而内能不可能全部转化成机械能而不引起其他变化；A错误，BC正确； D．根据能量守恒定律可知，能量不能被创造或被消灭，D正确。 故选BCD。 4．关于焦耳和焦耳热功当量实验说法正确的是（　　） A．该实验是在绝热系统中完成的 B．该实验的研究对象是容器中的水 C．焦耳是英国物理学家，他的主要贡献是焦耳定律和测定热功当量 D．焦耳实验中要使容器及其中的水升高相同的温度，实验中悬挂重物的质量、下落的高度可以不同，但重力做功必须相同 【答案】ACD 【详解】焦耳是英国物理学家，主要贡献为焦耳定律和测定热功当量，热功当量实验是在绝热系统中进行的，与外界不能有热交换，研究对象是容器及容器中的水组成的系统，实验中要使容器和容器中的水组成的系统升高相同的温度，必须要使重物的重力做功相同 故选ACD。 5．子弹射入静止于光滑水平地面上的木头，则（　　） A．做功使木块的内能增大 B．热传递使木块的内能增大 C．子弹损失的机械能大于木块增加的内能 D．子弹损失的机械能等于木块增加的动能 【答案】AC 【详解】AB．子弹射入木块时，子弹对木块做功，所以是靠做功改变木块的内能，故B错误，A正确； CD．根据能量守恒定律知，子弹损失的动能一部分转化为木块的动能，还有一部分转化为子弹和木块的内能，故D错误，C正确。 故选AC。 二、解答题 6．奶牛的心脏停止跳动后，大约在内体温由降低到。请你由此估算，在这种环境下饲养奶牛，要维持一个体重奶牛的内能不变，每天喂养奶牛的食物至少要能为它提供多少热量？计算时，可以认为奶牛体内绝大部分是水。水的比热容为。 【答案】1.4×108J 【详解】在1h内需对奶牛提供的热量为 则要维持一个体重400kg奶牛的内能不变，每天喂养奶牛的食物至少要为它提供的热量为 7．某地强风风速为14m/s，设空气密度为，若某风力发电机的风扇叶片长10m，当风通过风扇横截面时，其动能的20%将转化为电能，则该风力发电机的功率是多大？ 【答案】 【详解】依题意，可得内通过扇叶的风的质量为 风的动能为 发电机的功率为，时间为，由能量守恒定律可得 由题中数据可知 ， 代入求得 8．观察图片回答下列问题： (1)如图甲是真空玻璃罩中的弹性皮球弹跳的频闪照片，皮球弹跳的最大高度越来越低，它的机械能哪里去了？ (2)图甲中皮球在木板上弹跳，最终停止运动(玻璃罩绝热)，皮球和木板的机械能及内能之和变化吗？ (3)如图乙，一部充满电的手机，单纯听音乐能用40小时，如果同时亮屏能用9小时，如果打电话能用5小时，这些过程说明能量的转化有什么特点？ (4)根据以上活动以及机械能守恒定律、热力学第一定律，可以有什么猜想？ 【答案】(1)见解析 (2)见解析 (3)见解析 (4)见解析 【详解】（1）如果只有重力和皮球的弹力做功，皮球的机械能应该守恒。弹跳的高度越来越低，是因为摩擦力做功，部分机械能转化为内能。 （2）根据功能关系，克服摩擦力做功W，机械能减少量，摩擦力做功使皮球和木板的温度升高，内能增大，皮球和木板之间可能发生热量的传递，但因与外界绝热，根据热力学第一定律，皮球和木板的内能增加量。整个过程机械能减少，内能增加，根据，皮球和木板的机械能与内能之和不变。 （3）这说明一定量的电能可以转化成一定量的声能，也能转化成少量的声能和较多的光能，还能转化成极少的声能和大量的电磁能，说明一种能量可以转化成其他形式的能量，并在转化过程中有一定的数量关系。 （4）能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 9．如图所示是18世纪人们发明的不同形式的“永动机”，现在这些“永动机”只能在博物馆中看到了，警示人们不要再做这方面的工作，试分析“永动机”不能成功的原因。    【答案】永动机违背了能量守恒定律 【详解】在不消耗能量的情况下，机器不会一直转动下去，因为它违背了能量守恒定律，所以永动机不能成功。 14 学科网（北京）股份有限公司 $ 粤教版（2019）选择性必修第三册导学案 3.2 能量守恒定律及其应用 一．能量守恒定律 1. 定律内容： 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 意义： ①各种形式的能可以相互转化。 ②各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。 2. 对定律的理解 （1）某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量与增加量相等。 （2）某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量相等。 3. 能量的存在形式与转化 常见能量形式：机械能、内能、电磁能、化学能、原子能等。 转化方式：各种形式的能量可通过力做功实现相互转化。 二、第一类永动机 1. 定义 不需要任何动力或燃料，却能不断对外做功的机器。 2. 不可能制成的原因 结合热力学第一定律分析： 若物体不与外界传热，物体对外做功，必然以减小自身内能为代价； 若不消耗内能，物体必须从外界吸收热量才能对外做功。第一类永动机试图不消耗任何能量而持续做功，违背能量守恒定律，因此无法制成。 第一类永动机失败的原因分析：如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的 3. 历史意义 历史上众多永动机设想的失败，从反面推动了能量守恒定律的发现与确立。 考点一：对能量守恒定律的理解 例1.能源是社会发展的基础。下列关于能量守恒和能源的说法正确的是（　　） A．能量是守恒的，能源是取之不尽，用之不竭的 B．能量的耗散反映了能量是不守恒的 C．开发新能源，是缓解能源危机的重要途径 D．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减小，形成“能源危机” 例2.一物体先后经过几个不同的物理过程，其温度均从升高到，则在这些过程中（　　） A．物体一定从外界吸收热量 B．物体与外界交换的热量都相等 C．外界对物体所做的功均相等 D．物体内分子动能的平均值增加量都相等 考点二：第一类永动机不可制成 例1.下列关于第一类永动机的说法正确的是（　　） A．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器 B．随着科技的发展，第一类永动机是可以制成的 C．第一类永动机不可能制成的原因是技术问题 D．第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律 例2.约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为∶如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是（　　） A．一定不可能实现 B．如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现 C．如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现 D．违背能量守恒定律 例3.如图所示，有人设计了这样一台“永动机”：距地面一定高度架设一个水槽，水从槽底的管中流出，冲击一个水轮机，水轮机的轴上安装一个抽水机和一个砂轮。他指望抽水机把地面水槽里的水抽上去，这样循环不已，机器不停地转动，就可以永久地用砂轮磨制工件做功了。请你分析一下，高处水槽中水的势能转变成哪几种形式的能，说明这个机器是否能够永远运转下去。 考点三：能量守恒定律在科技中的应用 例1.下列对能量转化和守恒定律的认识错误的是（　　） A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加 B．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加 C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的 D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了 例2.在最近几年的空调市场上出现一个新宠——变频空调，据专家介绍变频空调比定频的要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，是正常运行的5~7倍。空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动。这样的频繁启动，耗电多，而变频空调启动时有一个由低到高的过程，而运行过程是自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机。而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电。阅读上述介绍后，探究以下说法中合理的是（　　） A．变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律 B．变频空调运行中做功少，转化能量多 C．变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电 D．变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能 一、单选题 1．宋朝开庆年间，宋军发明的管状火器——突火枪（如图甲），是世界上第一种发射子弹的步枪。突火枪以厚竹筒为枪管，内部装填火药与子弹，点燃引线引爆火药后，瞬间完成燃烧，子弹开始加速运动，至子弹出枪管前可认为枪管中的气体质量不变，该过程中气体压强p与体积V的关系图像如图乙所示，S1、S2为ABC和BCED区域的面积，忽略子弹与枪管之间的摩擦力，则子弹射出枪管时的动能大小可表示为（　　） A．S1 B．S2 C． D． 2．如图所示，是中国古代玩具饮水鸟，它的神奇之处是，在鸟的面前放上一杯水，鸟就会俯下身去，把嘴浸到水里，“喝”了一口水后，鸟将绕着O点不停摆动，一会儿它又会俯下身去，再“喝”一口水。A、B是鸟上两点，说法正确的是（　　） A．A、B两点的向心加速度大小相同 B．A、B两点的线速度大小不同，角速度大小相同 C．此过程虽然不违反能量守恒定律，但不可能发生 D．此过程违反能量守恒定律，但可能发生，说明第一类永动机可以制成 3．根据能量转化和转移的方向性，下列判断正确的是（　　） A．电流的电能不可能全部转化为内能 B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转化为电能 C．热机中，燃气的内能不可能完全转化为机械能 D．能量不能被创造或被消灭 4．关于焦耳和焦耳热功当量实验说法正确的是（　　） A．该实验是在绝热系统中完成的 B．该实验的研究对象是容器中的水 C．焦耳是英国物理学家，他的主要贡献是焦耳定律和测定热功当量 D．焦耳实验中要使容器及其中的水升高相同的温度，实验中悬挂重物的质量、下落的高度可以不同，但重力做功必须相同 5．子弹射入静止于光滑水平地面上的木头，则（　　） A．做功使木块的内能增大 B．热传递使木块的内能增大 C．子弹损失的机械能大于木块增加的内能 D．子弹损失的机械能等于木块增加的动能 二、解答题 6．奶牛的心脏停止跳动后，大约在内体温由降低到。请你由此估算，在这种环境下饲养奶牛，要维持一个体重奶牛的内能不变，每天喂养奶牛的食物至少要能为它提供多少热量？计算时，可以认为奶牛体内绝大部分是水。水的比热容为。 7．某地强风风速为14m/s，设空气密度为，若某风力发电机的风扇叶片长10m，当风通过风扇横截面时，其动能的20%将转化为电能，则该风力发电机的功率是多大？ 8．观察图片回答下列问题： (1)如图甲是真空玻璃罩中的弹性皮球弹跳的频闪照片，皮球弹跳的最大高度越来越低，它的机械能哪里去了？ (2)图甲中皮球在木板上弹跳，最终停止运动(玻璃罩绝热)，皮球和木板的机械能及内能之和变化吗？ (3)如图乙，一部充满电的手机，单纯听音乐能用40小时，如果同时亮屏能用9小时，如果打电话能用5小时，这些过程说明能量的转化有什么特点？ (4)根据以上活动以及机械能守恒定律、热力学第一定律，可以有什么猜想？ 9．如图所示是18世纪人们发明的不同形式的“永动机”，现在这些“永动机”只能在博物馆中看到了，警示人们不要再做这方面的工作，试分析“永动机”不能成功的原因。    14 学科网（北京）股份有限公司 $